医用X射线机系统

医用X射线机系统复习总结2012.12朱秀委，668282xiuwei_zhu@126.com/xiuwei_zhu@

课程成绩卷面题型章节分布课程主要内容X射线及其成像基本原理X射线机系统构成与应用X射线管高压发生装置数字化探测器辅助装置临床应用第二章X射线及其成像基本原理第一节X射线的本质第二节X射线的效应第三节X射线与物质的相互作用第四节X射线的产生第五节X射线成像的过程及其影响因素波粒二象性干涉，衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；正确理解波粒二象性⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性.⑵ν高的光子容易表现出粒子性；ν低的光子容易表现出波动性.⑶光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为

粒子性.⑷由光子的能量E=hν，光子的动量表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ.粒子性X光子的能量决定了其穿透能力，生物效应与此相关。X射线的波长范围为：0.01~100埃。医用X射线波段为：0.01~1埃，其中诊断为0.1~1埃，治疗为0.01~0.1埃。物理效应穿透作用：X射线穿过物体时不被吸收的本领影响因素： X射线能量；物质本身结构和原子性质因此：光子能量越大，X射线波长越短，穿透率越强;物质原子序数高、密度大，吸收多，则穿透弱

物理效应荧光效应某些荧光物质受到X射线照射后，物质原子发生电离或被激发处于受激状态。当被激发的原子恢复到基态时，电子能级跃迁发出可见光和紫外光，即荧光影响因素：

X射线强弱物质本身特性物理效应电离作用：物质受到X射线照射，原子核外电子脱离原子轨道，称为电离作用。物理效应热作用: 吸收X射线能量最终大部分转换为热能干涉、衍射、反射、折射作用

与可见光类似化学效应感光作用:X射线照射使得目标物质感光其实还是利用电离作用，使卤化银发生光化学反应，沉淀出银颗粒。用于X射线摄影和工业探伤等着色作用:脱水作用生物效应生物细胞经一定量X射线照射后，可以产生生长抑制、损伤甚至坏死，即为X射线的生物效应。随机效应致癌效应和遗传效应,与剂量无关非随机效应剂量存在阈值,血液和造血器官变化生物效应X射线对人体不同组织的破坏作用不同。生长力强和分裂活动快的组织，对X射线越敏感。神经、淋巴、生殖系统、肿瘤等。生物效应归根结底也是电离作用。第三节X射线与物质的相互作用与原子中的电子、原子核、带电粒子的电场以及原子核的介子场发生相互作用。与大小近似于其波长的结构发生作用

低能X射线整个原子作用中能量X射线电子云作用高能X射线原子核作用X线与物质相互作用的特点1、吸收与物质的光学性质无关（体现粒子性）2、作用的原子性（微观范围）3、每次作用光子损失大部或全部的能量4、作用过程的复杂性X射线与物质作用的类型最主要有四种作用：

光电效应（吸收）康普顿效应（非弹性散射）

电子对效应（吸收）瑞利散射（弹性散射）光电效应（一）产物 特征X线、光电子和俄歇电子（二）发生条件

hυ＝W+E→

hυ≥W

概念：X线光子与原子内层电子作用，将其全部能量交给轨道电子，电子获得能量后脱离轨道飞出。（三）光电效应发生的几率相关因素：a、光子能量hυ

b、原子序数Z

c、轨道电子结合能Whυ≥W时，产生光电效应在能发生光电效应的前提下（hυ≥W）：1、X线光子能量稍大于轨道电子结合能时，最易发生光电效应（对应有临界波长）2、发生几率反比于光子能量三次方τ光∝1/（hυ）33、发生几率正比于电子的结合能τ光∝W（1）内层电子比外层电子更易发生光电效应（2）高Z比低Z更易发生光电效应（3）低能X线：τ光∝Z4

高能X线、高Z：τ光∝Z5（四）光电效应产生的特征X线 人体各组织在X线照射下，发生光电效应所产生的特征X线，为低能长波，将全部被自身吸收。

人体组织中：Ca（20）4keV

人工造影剂：I（53）33.2keVBa（56）37.4keV

诊断X线：20~100keV（五）光电效应对照片质量的影响有利于提高照片质量（1）能量全转化、全吸收，无散射线，减少照片灰雾（2）τ光∝Zn，指数级正比例关系，增强天然组织间对比全部吸收，诱发生物损伤（六）光电效应对被检者的影响乳腺X摄影康普顿效应概念：光子与原子的外层轨道电子作用时，交给轨道电子部分能量后，改变频率和方向散射，而轨道电子脱离原子轨道射出。（一）产物：反冲电子和散射光子(二)发生条件：

hυ＞＞W☆光电效应与康普顿效应的比较1、作用对象不同：内层电子/外层电子2、作用条件不同：稍大于W/远大于W3、对光子能量的吸收程度不同：全部吸收/少量吸收4、能量分配不同：特征X线/散射X线5、对照片质量的影响不同：增强对比/降低对比6、对被检者的危害程度不同：危害大/危害小电子对效应

概念：在原子核电场或电子场中，一个入射光子突然消失而转化为一对正、负电子（一）产物：正、负电子（二）发生条件：光子能量极高核电场：E光≥1.02MeV（对应2个电子的静止质量）电子场：E光≥2.04MeV（对应4个电子的静止质量）核电场发生几率＞＞电子场发生几率（三）在诊断X线范围内，电子对效应一般不可能出现

1.02MeV～1020keV诊断X线管电压：30～150kV光电效应康普顿效应电子对效应X射线的衰减规律：I:衰减后强度I0：入射强度u：衰减系数x：穿过的距离不同的作用，不同的u值。（二）原子序数Z和光子能量hυ与三种基本作用的关系光子能量范围0.01MeV—100MeV时，三种基本作用为：

光电效应康普顿效应电子对效应*临界元素Z：对应一定hυ，两种效应几率相等的Z1、光子能量低于0.8MeV时，光电效应和康普顿效应同时发生2、光子能量在0.8~4MeV时，无论原子序数多少及光子能量如何变化，康普顿效应都占主导地位。3、光子能量大于4MeV时，康普顿效应和电子对效应同时发生（三）在诊断X线中各种基本作用发生的相对几率1、诊断X线范围多在20~100keV，此时电子对效应不可能发生2、（诊断意义上）X线与物质的基本作用有三种：光电效应、康普顿效应和相干散射，前两种占主导3、光电效应和康普顿效应的发生几率同组织Z有关水（软组织）/低Z：低能光电效应占优；高能康普顿效应占优骨骼/较高Z：低能光电效应占优；高能康普顿效应占优碘化钠/极高Z：能量范围内光电效应全程占优BX线的减弱规律（一）X线强度减弱的两种方式1、距离所致的减弱：I∝1/r22、物质所致的减弱：

a、光子能量b、原子序数c、物质密度

d、每克电子数（二）（吸收物质）影响X线减弱的因素1、光子能量hυ

光子能量↗，透过量↗2、原子序数Z

低Z物质，光子能量↗，透过量↗高Z物质，光子能量↗，透过量还可能↘

3、物质密度d衰减强度∝密度（四）物质对连续X线的吸收规律（1）各能谱成分吸收速率不一样，总吸收不遵循指数衰减规律。（2）连续X线通过吸收体以后，强度减少，能谱变窄。（3）平均能量越高，减弱速率越小。

吸收体厚度递增，X线穿透后：能谱变窄；高端能量不变；低端能量下降A＜B＜C＜D连续X线依次通过1cm水后：平均能量越来越高强度衰减率越来越小能谱变窄，低端能量提升射线硬化物质对连续X线的吸收难以定量分析第四节X射线的产生原理：在真空中的X射线管内，用高速运动的电子束撞击靶材，电子因突然受阻而转换为具有相应能量的X射线光子。

高速运动的电子流

射线X射线中子流高能辐射流在突然被减速时均能产生X射线X射线的产生结构：

a)电子源

阴极：产生电子，与温度有关b)电子加速通道

高压装置：真空强电场c)靶材

阳极：经受电子撞击产生X射线X射线的产生说明：（一）电子动能转变为X射线的能量不到1%，99%以上都转变为热能，使阳极温度升高。因此①被轰击区域应用熔点高的物质——钨来作；②根据功率的不同采用散热片、通风冷却、阳极作成中空用水或油循环冷却；铜圆柱钨板电子束X射线的产生旋转阳极电子束③大功率的X射线管，多采用旋转阳极（二）理论和实验表明，靶Z越大，发生X射线的 效率越高。钨Z=74X射线的产生（三）实际焦点与有效焦点实际焦点：灯丝发射的电子，经聚焦加速后，投射到阳极靶上的积。有效焦点：实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积。

cdab电子束X射线的产生（三）实际焦点与有效焦点实际焦点愈大X射线管的散热愈好；有效焦点愈小，所成的像愈清晰。长灯丝形成的焦点叫大焦点，治疗用。短灯丝形成的焦点叫小焦点，诊断用。X射线管电子枪：产生电子并将电子束聚焦，钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电子。金属靶：发射x射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钻、镍、铁、铝等。X射线产生的物理过程①改变管电流②改变管电压

控制强度的方法X射线强度的表示：管电流的mA数。用管电流的毫安数（mA）和辐射时间（s）的乘积表示X射线的总辐射量，单位：mA·s通常采用的方法是：在管电压保持一定的条件下，通过调节管电流来控制X射线的强度。X射线产生的物理过程(3)电子束作用于靶面

高速电子打到靶材，与靶原子发生作用，使得靶材上电子产生跃迁并产生X射线。

这些作用又分为4个并行、独立的物理过程：电离过程激发过程弹性散射轫致辐射X射线产生的物理过程

电离过程

原子的外层价电子或内层电子，在高速电子作用下脱离原子轨道，使原子变成离子的过程。电离过程向外发射2种光谱：（1）低能光谱：紫外、可见、红外，被阳极吸收；（2）高能光谱：X射线X射线产生的物理过程

激发过程

高速电子（或二次电子）将原子外层电子推入高能级的空壳层，使原子处于激发态的过程。处于激发态的原子发射光学光谱，这些能量导致固体分子热运动加快、温度上升，即转化为热能。X射线产生的物理过程

弹性散射

高速电子受原子核电场的作用而改变方向，但是能量不发生变化的过程。电子的动能没有发生改变，即没有能量损失，那么也就没有光谱辐射的产生。X射线产生的物理过程

轫致辐射

高速电子在原子核电场作用下，速度突然变小，一部分能量转变成电磁波发射出来的过程。处于激发态的原子发射光学光谱，这些能量导致固体分子热运动加快、温度上升，即转化为热能。特征X射线谱：特定波长的X射线。产生：电子进入到阳极内部，将内部电子激发到高能态上，高能电子回落到低能位时放出的X射线。X射线谱连续X射线谱：连续的各种波长的X射线。产生：电子在阳极表面受阻而产生，来自轫致辐射。医用X射线1.连续Ｘ射线谱(continuousX-raySpectrum)谱线的特点（1）管电压一定时，谱线强度随波长变化，存在短波极限。

相对强度50kV40kV30kV20kV管电压较低时（低于50KV），只出现连续Ｘ射线谱。（2）管电压增大，短波极限λmin向短波方向移动。强度为零的波长称为短波极限λmin右图为不同管电压下的连续X射线谱，其总强度等于曲线下面的积分面积。实验表明：I连续＝KiZV2k＝1.1～１.４x10－9i－管电流，V－管电压，Z－原子序数

连续X射线的总强度正比于管电流、管电压及阳极材料原子序数。1.连续Ｘ射线谱(continuousX-raySpectrum)有：因：2.标识X射线谱(characteristicX-raySpectrum)①只有达到一定的管电压，标识X射线谱才会出现；谱线的4个特点:②谱线λ决定于靶材料，与管电压无关。0.02nm③医用诊断X线中，仅K系标示线有用。④标示线的最高频率（最短波长）与靶元素的原子序数Z的平方成正比。是指X线能量占全部电子撞击阳极靶面总能量的百分比。大部分电子能量转换为热能，小于1%的能量转变为X射线能。影响X射线发生效率的因素主要是：管电压、管电流、阳极靶面物质等。3.X射线发生效率X射线量与质X射线强度

单位时间内垂直于X射线传播方向的单位面积所通过的光子数目和能量的总和。X射线的量X射线束中的光子数目，电流时间积X射线的质X射线的硬度，即穿透物质的能力，表示光子的能量，峰值管电压第五节

X射线成像的过程及其影响因素X射线穿透人体带出内部信息然后记录、再现、观察的过程。影响图像质量的因素至关重要X射线产生过程X射线与人体作用过程X射线成像阅读过程其他因素目标：以尽量少的剂量获得尽量高的图像质量一、X射线产生过程点光源:物理指标强度、相位和波长面光源:方向、发光面积以及两者夹角等.绝大多数情况，不考虑相位影响X射线产生过程的因素电压值电流值滤过板、遮线器电压值不仅决定了X射线的质量，而且决定了X射线的强度。在临床诊断领域，电流时间积决定了X射线的量，而电压值不仅决定X射线的量，还决定X射线的质。电压与散射电压值的选择主要依据所需对比度以及受检区的厚度来确定。基础电压值适当穿透人体特定部位所需要的最小电压值。滤过板和遮线器滤过板:滤除X射线中的软X射线部分，提高成像质量、减小病人不必要的辐射遮线器:在空间上改变X射线的照射范围，进而减少病人的辐射，同时可减少来自无关区域的散射第三章

医用X射线机系统构成与应用第一节医用X射线技术发展X射线管技术发展简述X射线成像技术装置技术进步与发展X射线计算机断层扫描技术出现X射线机数字化探测器的发展X射线技术的网络化、智能化X射线管的发展1）气体X射线管时期（1895-1912）——主要是含气离子管产生X射线X射线能量低40---50KV成像时间长，曝光过度容易使病人受伤X射线机控制能力差，开关控制无任何防护2）热电子固定阳极X射线管时期(1913-1928)1913年，美国物理学家柯立支发明固定阳极X射线管。钨灯丝加热到白炽状态来提供管电流所需的电子。X射线能量增大滤线栅、造影剂的发明增加防护措施X射线管的发展3）旋转阳极X射线管时期(1929)1927年旋转阳极X射线管研制成功;1929年荷兰飞利浦公司首次制成产品级的旋转阳极射线管。大功率、小焦点短时间、高千伏、高毫安应用范围增大X射线管的发展50年代以后，影象增强及电视的问世，改变了X射线成像。时期特征：改变了X射线医学影象的传统显示方式电视图象取代荧光图象，扩大临床应用范围影像增强器的发明；X射线机机型结构有重大变化实现了“明室观察，隔室操作”影像增强器影像增强器——ImageIntensifier简写：I.I作用:将穿过人体的X线影像转换成亮度较强（比普通荧光强数千至万倍）可见光影像。影像增强器——1952年飞利浦公司制造出了世界上第一支影像增强器影像增强器结构增强管外壳电源影像增强管结构图增强管的组成增强管输入屏静电透镜输出屏管壳及离子泵输入窗—对X线吸收小薄金属板荧光层—吸收率高、荧光效率高，一般用碘化铯（CsI）光电阴极—锑化合物栅极—聚焦阳极—加速电子荧光粉薄、颗粒小、黄绿光谱（硫化锌镉）保持高真空影像增强器的工作原理透过人体的X线投射到输入屏的荧光层，X线的荧光作用使闪烁晶体发出可见荧光，光电阴极受荧光照射激发逸出电子（光电效应），电子多少与X线照射强度成正比因而形成电子影像，光电子在阳极和聚焦电极电位共同形成的电子透镜作用下加速、聚焦，然后轰击到输出屏，输出屏荧光粉将电子影像转换成亮度增强的可见光影像。20世纪70年代初期，高频高压技术取代工频高压技术，提高了X射线机的效率和质量。X射线机高压发生装置技术进程根据高压变压器工作频率将X线机分为：工频（50Hz）中频（400Hz-20kHz）高频（>20kHz）工频机的局限性结构笨重、自动化程度低输出波形脉动率高、剂量不稳定、软射线多曝光参量精度低（0.2s、3ms）解决：

直流逆变技术中、高频机的优点：1、软射线少，病人的皮肤剂量低；

2、可输出高质量的X线(单色性、高能性)，成像质量高；

3、输出剂量大（X线中高能成分多）；

4、可进行实时控制，控制精度高；

5、高压变压器体积小、重量轻；

6、最短曝光时间短（1毫秒）；

7、输出稳定，重复性好，利于智能化发展。

中、高频机的优点：医用X射线机系统及其基本构成X射线发生装置 X射线管、高压发生装置、控制装置X射线成像装置 传统成像、数字成像、显示器X射线辅助装置 机械装置、支持装置、辅助软件第四章医用诊断X线管81X线管的作用产生并输出X射线X线机的心脏X线管的类型诊断用X线管：透视、摄影焦点小，功率大、散热器散热治疗用X线管：浅表治疗、深层治疗大焦点、长时间曝光、风冷水冷或油冷一、固定阳极X线管（一）构造和作用 由阳极、阴极和玻璃壳组成1、阳极 由阳极头、阳极罩、阳极柄组成

作用：产生X线、散热、吸收二次电子和散射线2、阴极 由灯丝、阴极头、阴极套、玻璃芯柱组成

作用：发射电子、对电子聚焦3、玻璃壳

作用：支撑阴阳两极、保持管内真空度（二）X线管的焦点1、实际焦点：电子轰击在靶面上的面积2、有效焦点： 实际焦点在X线投照方向上的投影3、标称（有效）焦点：X线投照方向⊥X线管轴时的有效焦点（1）X线投照方向⊥X线管轴垂直时，靶面与X线投照方向的夹角Q称为阳极倾角/靶角。（2）有效焦点S有、实际焦点S实和阳极倾角Q的关系：

a、S有=S实×sinQb、S有一定时，Q越小，S实越大，热容量P越大c、为减少几何模糊，要求S有尽量小（3）（标称）有效焦点一般用容许长×容许宽标注（一）旋转阳极X线管的特性1、特点：

偏阴极、阳极靶面高速旋转2、优点：

瞬时功率大、焦点小（二）旋转阳极X线管的组成1、组成：阳极、（偏）阴极和玻璃壳2、阳极：靶面、转子、轴承和定子3、镶在钼基或石墨基上的铼钨合金靶：（1）晶粒细，抗热胀性好，再结晶温度高，不易龟裂（2）X线辐射率下降较慢(13%vs45%)（3）热容量大大提高

－－－－取代纯钨靶（三）X线球管散热方式1、固定阳极X线管：热传导2、旋转阳极X线管：热辐射

－黑化转子表面，增大热辐射－曝光间隔较长，保证热辐射（一）X线管的规格参数1、结构参数

靶角Q、有效焦点S有、外形尺寸、重量、管壁滤过当量、转速n、灯丝温度T2、电参数

灯丝加热电压和电流（Vf/If）、最大管电压（Va）、管电流（Ia）、最长曝光时间（s）、最大允许功率P、代表容量五、X线管的规格和基本特性3、在调整和使用X线管时，特别要注意：（1）最大管电压（峰值kV）避免高压击穿（2）最大管电流（平均值mA）

管电压和曝光时间一定（3）最长曝光时间（s）管电压和管电流一定（二）X线管的基本特性1、阳极特性曲线

If一定时，Va与Ia的关系曲线空间电荷效应：

灯丝后端滞留电子（电子云），跟随管电压升高而陆续飞向阳极，形成曲线比例区和饱和区。2、灯丝发射特性曲线

Va一定时，Ia与If的关系曲线3、灯丝加热特性

Vf同If的关系曲线

一般成正比关系（三）X线强度的空间分布1、薄靶周围X线的空间分布（1）薄靶（a）X线的产生限于靶面（b）电子直接透过而不偏转

－－－－“穿透式”靶（2）薄靶X线强度的空间分布随着Va的升高，X线集中向电子运动方向辐射。2、厚靶X线强度的空间分布（1）厚靶（a）X线的产生不局限于靶面（b）入射高速电子全部被阻止

－－－－“反射式”靶（2）厚靶X线强度分布特点

厚靶X线管近阳极端的X线强度弱，近阴极端的X线强度强。-----阳极效应（3）厚靶X线强度的空间分布（4）厚靶强度分布曲线在投照上的应用（a）将阳极效应同体层厚度相对应

腰椎正位片：腰椎上部体层薄，近阳极；腰椎下部体层厚，近阴极→到射X线等强度→胶片浓度均匀（b）焦片距较大时阳极效应不明显照射野边缘近阴极，强度大；边缘衰减快→阳极效应被抵消（c）焦片距相同时小照射野受阳极效应的影响小照射野越小，射线到片距离越接近，阳极效应越不明显（d）尽量利用中心线附近X线束来摄片利用强度最大线曝光，提高X线利用率（四）X线管的瞬时负载特性1、负载的分类（1）瞬时负载（数毫秒-数秒）

单次摄影、单组连续摄影等

由靶面熔点决定

功率/容量/瞬时负载曲线（2）连续负载（10秒以上）

透视、点片摄影等

由阳极某处温升极限决定

热容量/直接标明连续使用的最大功率2、容量(功率)的计算P=IU/1000

其中P：功率/容量kWU：管电压有效值

kVI：管电流有效值

mA

*（最大）热容量：对应阳极某薄弱部分的温升极限，阳极整体所积累的全部热能（七）X线管的使用1、预热2、旋转阳极启动声音监测3、负载限制，严禁过载曝光4、保管存放时，X线管阳极置于下垂位置第五章高压发生器

第一节高压发生装置及其发展组成高压发生器箱控制器高压电缆高压变压器、灯丝变压器、高压整流器、高压交换闸、高压插头、插座高压发生装置作用升压和整流，为球管提供直流高压降压和隔离，为X线管灯丝提供加热电压如配有两只以上X线管，还要完成kV和灯丝加热电压的球管切换（二）高压变压器的构造

铁心初级绕组次级绕组绝缘物质固定件

要求：体积小、重量轻、内阻小、绝缘性好（三）高压变压器的工作原理

初、次级之间电压（匝数）之比为常数

即：U1/U2=N1/N2=KK为变压器常数

K越大，I1越大，则要求电源内阻必须较小，否则电源阻抗分压过大将影响升压－－电源条件要求高反之，如K适当降低，则I1降低，电源内阻可以大些（三）高压变压器的工作原理

能量守恒，即初级输入功率与次级输入功率相等，

即：P1=U1I1=U2I2=P2

高压变压器的输出功率是由初级提供的。当要求输出功率高时，若初级电压一定，那么初级电流就越大。工频高压变压器存在的不足结构笨重 常数=电压/(频率*匝数*铁芯面积)线束频谱宽

工作频率低，脉动大，低压成分多曝光参数精度低中、高频机优势输出高质量的X射线高压稳定输出剂量大频率稳定实时控制，控制精度高微机管理X射线输出稳定，重复性好闭环控制实现了结构小型化工作频率高有利于向智能化发展电子化、数字化可直接使用直流电高频逆变来自直流逆变第二节高压发生装置中的其他部件

（一）灯丝变压器 对灯丝进行降压供电

次级与高压变压器次级端相连，电位很高，故初、次级绕组间应具有很高的绝缘强度（二）高压整流器

将高压变压器次级输出的交流整流为脉动直流电压，供给X线管两极，使X线管始终保持阳极为正、阴极为负。----高压硅堆

（三）高压交换闸为多个球管提供高压和灯丝加热电流切换动作频繁，要求结构牢固、绝缘好、接点切换准确迅速多用电磁接触器式（六）常用绝缘材料高压绝缘油注油前要加热去除空气老化后要求换油电容器纸塑料等

工频X线机: 高压次级频率为50Hz，多指传统X线机

中频X线机：

高压次级电源和灯丝加热电源的工作频率为中频（400Hz~30kHz）

高频X线机：

高压次级电源和灯丝加热电源的工作频率为高频（＞30kHz）

X线机频段的划分：频率提高的意义50Hz工频供电，单相全波整流时ε为100%50Hz工频供电，三相六波整流时ε为13.4%50Hz工频供电，三相十二波整流时ε为3.4%50kHz高频供电时，ε＜2%，控时精度＜1ms频率升高，脉动系数减小………频率再高已无太大意义，反而增加电路设计复杂性，无需一味追求高频供电X线机评价指标输出射线品质（脉动系数ε）射线控制精度（曝光参量kV、mA、s）X线机体积重量中频机与工频机性能对比表项目中频机工频机项目中频机工频机线谱窄宽波形近似直流1～12脉冲稳定性随调稳定预调不稳定可控性实时预置有效成分高低中皮肤剂量中大重复性≤0.02≤0.05体积重量小大管电压＜5%＜10%设计要求高中mAs值＜±10%＜±20%材料要求高一般短时曝光1ms3ms适用范围全型号大中型二、中高频机电路构成1、主电路

（1）工频电源 （2）整流电路 （3）逆变电路 （4）高压发生器2、功率控制电路

（1）主逆变触发控制（高压逆变） （2）灯丝逆变触发控制3、旋转阳极启动电路等其他控制电路4、计算机系统中频机主电路方框图

三、中频机工作原理四、直流逆变电源

即中频电源，包含：

直流电源、直流逆变、逆变控制1、直流电源

特点：（1）根据X线机功率大小，可选择不同的供电方式（单相、三相、直流）（2）中高频机对电源要求不高2、直流逆变

（1）概念：将直流电压变换为某一中高频交流电压的过程（2）方法：

a、桥式逆变

→高压（主）逆变b、半桥式逆变c、单端逆变→灯丝逆变桥式逆变

适当控制四只开关元件的动作以行逆变负载Z上获得正负交替的矩形波电流桥式逆变在负载上的波形

控制t2/t4时间大于元件关断时间，避免短路半桥式逆变控制两只开关元件的动作并结合电容充放电过程以行逆变负载R上获得正负交替的指数衰减式交流半桥式逆变在负载上的波形RC充放电常数决定波形顶部宽度单端逆变控制单个开关元件的动作并结合变压器的电磁感应现象以行逆变（L上电流不能突变）负载R上获得正负交替的指数衰减式交流利用电感元件对电流突变的反向阻滞特性单端逆变在负载上的波形K闭合K断开K断开K闭合3、逆变控制（1）输出功率的调节脉宽调制控制(PWM)频率调制控制(PFM)脉宽调制控制PWM

T不变，改变占空比多用于晶体管逆变电源频率调制控制PFM占空比不变，改变T/f多用于可控硅逆变电源高低电平的比值（2）输出电压的调节 同样也有PWM/PFM两种调制手段对于管电压，要求波纹系数尽量小。波纹系数：电压波形交流分量总有效值与直流分量平均值之比成为波纹因数。波纹因数越小，波形越平坦。中频电源高压输出后，a、经高压整流滤波可以减小波纹系数b、可行PWM/PFM，调制电容充放电速率，实现充放电平衡，稳压，平整波形整流器+逆变器+升压整流+PFM/PWM闭环控制五、中频机主电路方框图第六章数字X射线探测器一、X线电视（X-TV）系统1、定义 由X线影像增强器、摄像机、监视器以及完成视频信号处理和整机协调工作的控制器组成的系统。

属于透视的一种。2、工作原理

利用影像增强器将不可见的X线转换成亮度很高的可见光图像再通过摄像机转换成电信号经过放大处理后输送到监视器显示出人体各部件的组织结构

X线→可见光→电信号→视频信号→影像X线增强型电视系统三、X线电视的系统结构1、原理框图采用影像增强器，将X线影像转换成可见光图像，图像亮度提高近万倍，再进行摄像、显像……2、系统构成影像增强器

X线→可见光；亮度提升摄像机

可见光→电视信号控制器

视频信号→全电视信号；同步监视器

电视信号→图像四、影像增强器I.I:ImageIntensifier1、基本结构输入屏（碘化铯）光电阴极（锑－铯）输出屏（硫化锌镉）电子透镜（聚焦电极）2、工作原理X线影像→输入屏（荧光效应）→可见光影像可见光影像→光电阴极（光电效应）→电子影像电子影像→电子透镜（加速聚焦/反转）→缩小、倒立的电子影像缩小、倒立的电子影像→输出屏（电致发光）→亮度增强的可见光影像3、影像增强管的亮度增益定义：输出屏影像亮度/输入屏影像亮度计算：亮度增益=面积缩小增益×能量增益面积缩小增益=S输入屏/S输出屏=D输入屏2/D输出屏2能量增益取决于加速电场电压值4、可变视野影像增强器提高电压→电场加强→焦距减小→放大成像→视野变小视野小→亮度减→需行剂量补偿增加辅助阳极控制聚焦→放大倍数可调从输出端看到的受检部位的面积视野大，放大倍数小视野小，放大倍数大八、固体摄像器件主要类型：（1）电荷耦合型（CCD）：chargecoupleddevice

电荷通过半导体势阱发生迁移－－电荷耦合（2）互补金属-氧化物-半导体型（CMOS）：comple-mentarymetal-oxidesemiconductor（3）电荷注入型（CID）（4）电荷引动型（CPD）（5）叠层型（PLDSS）1、CCD的优点光电灵敏度高、动态范围大空间分辨率高几何失真小（全画面一致）均匀性好器件体积小、重量轻、功耗低等2、CCD的工作原理 以电荷作为图象信号，以时钟脉冲信号（代替电子扫描）控制光敏像元，实现图象信号的读取、变换和输出3、CCD单元的基本结构

CCD器件由光敏像元组成

分为线阵CCD/面阵CCD

光敏元件：MOS电容器和光敏二极管（1）MOS电容器P型Si衬底+SiO2+金属层+偏置电压→MOS电容器CCD入射光子进入Si衬底，电子吸收光子能量跃迁，形成电子－空穴对电子－空穴对在外加电场作用下，分向电极两端移动，形成光生电荷（2）光敏二极管P型Si衬底+N+区+反向偏置电压→反向偏置二极管→光敏二极管CCD光子入射定向电荷区，产生光生电荷光敏二极管灵敏度高、光谱响应宽、蓝光响应好、暗电流小，将逐渐取代MOS电容器作为CCD的光敏元件4、CCD工作程序（1）光电转换和存储

光敏材料受光照射产生空穴电子对，空穴被排斥，光生电荷被收集形成电荷包，完成光电转换和存储

电荷包电量∝光子能量/数量∝光照亮度/时间∝像元亮度图像照度信号→电荷包电量

存储光生电荷的电荷包表现为低势能，称为电子势阱

电子势阱特性

栅压VG增高→半导体内被排斥电荷数增加→耗尽层厚度增加，电势变低→电子向耗尽层移动、存储，形成电子势阱电子势阱内存储电荷，改变栅压VG可使势阱内电荷包按照一定方向逐个势阱转移

栅压增高，势阱变深；栅压降低，势阱变浅（2）电荷的转移

在时钟脉冲信号控制下，改变CCD内各电极电压，即改变各势阱电位（栅压），使电荷包由像元向输出极顺序转移。

依时钟脉冲不同，分为三相时钟驱动、二相时钟驱动和四相时钟驱动等几种方式。（3）信号的读出

信号电荷传输至终端后，转换成信号电流或电压，由输出电路顺序放大并读取

输出电路多由场效应管组成

输出信号（电流/电压）∝电荷包电量∝像元亮度Ф3高电平时，VФ3＞VФ0G，电荷不移动，储存于Ф3势阱下ФR高电平使T1饱和导通，D反向偏置，其结电容电压使T2也饱和导通，T2输出信号电压为aФR转为低电平，T1截止，其漏电流压降使T2输入电压略降，T2输出信号电压跟随降至b馈直流电平正向低压信号输出电压跟随型场效应管：信号读出Ф3转为低电平，VФ3＜VФ0G，e从Ф3势阱流出，加至T2输入端A，使VA下降，T2输出信号电压跟随降至c，形成压降d；移出电荷量∝输出电压降d，实现信号读出馈d＝b－c正向低压信号输出电压跟随型场效应管：信号读出一、CR的结构1、CR的定义

ComputedRadiography，即“计算机化X线放射影像系统”或简称“计算机放射影像系统”将携带诊断信息的X线影像记录在影像板（imageplate，IP）上，经读取装置读取，通过计算机处理，获得数字化图像2、CR系统的组成X线机：与读取装置类型相对应影像板（IP）：影像记录载体读取装置：暗盒型、无暗盒型

监视器储存装置：影像储存与记录二、影像板（ImagePlate，IP）

IP是CR成像的关键器件，是CR影像的记录载体，取代屏片系统中传统的暗盒

CR影像不是直接记录于胶片，而是先记录在IP上（先记后读）IP可重复使用，但不具备影像显示功能1、IP的结构A、表面保护层：防止荧光层受到损伤。要求透光且薄，常用聚脂树脂类纤维B、荧光物质层：把第一次照射光的信号记录下来，当再次受到光刺激时，会释放存储的信号C、基板：保护荧光层免受外力的损伤D、背面保护层：同表面保护层IP的种类暗盒型IP将IP置于类似常规X线摄影暗盒的密封盒内，可代替常规摄影暗盒在任何X线机上曝光成像无暗盒型IPIP无外封装，置于专门的读取装置内，不能在传统X线机上曝光成像2、IP成像原理入射X光子被荧光层内的辉尽性荧光体吸收，释放出电子，其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，形成潜影，完成X线影像信息的采集和存储潜影电荷∝入射光子能量当用激光扫描已有潜影的IP时，IP表现出PSL光激发辉尽发光现象（光致发光），完成X线影像信息的读取PSL荧光强度∝潜影电荷3、PSL发光（1） PSL发光原理

某些物质在第一次受到照射光照射时，能将一次激发光携带的信息贮存下来，当再次受到照射光照射时，能发出与一次激发光携带信息相关的荧光。这就是光激励发光（photostimulatedluminescence，PSL，光致发光），这种物质就称为PSL物质PSL发光强度∝一次激发光强度（X线光子）掺杂2价铕离子的氟卤化钡晶体，PSL发光最强，选作IP荧光材料。（发光原理不详）一次激发光（X线光子）二次激发光（读取激光）潜影（2）PSL光谱特性一次激发光称为PSL物质的发射光谱，在CR中即为X线光子二次激发光称为PSL物质的激发光谱，在CR中即为用以激发PSL发光的激光，又称为激起光一次激发光初次照射PSL物质氟卤化钡时，其吸收光谱在37keV处有一锐利、锯齿形的不连续吸收，这是由于钡原子K缘所致，但此钡原子的K缘吸收不会影响PSL荧光（3）PSL发光时间停止对PSL物质的照射后，PSL发光不会立即消失，而是逐渐衰减若上一次激起光扫描读取信号时的PSL发光尚未结束就开始下一次扫描，那下一次扫描所读取的信号就会受到干扰掺杂2价铕为发光中心的氟卤化钡的发光时间为0.8μs，满足CR系统快速读取图像的要求（4）PSL物质的甄选掺杂2价铕离子的氟卤化钡晶体(BaFX：Eu＋＋X＝Cl、Br、I）

PSL发射光谱波长390~400nm

激发光谱（激起光）波长600nm

发光时间0.8μs另一种PSL物质：含微量元素铊的镓溴化物（RbBr：Tl＋）

PSL发射光谱波长350nm

激发光谱（激起光）波长700nm

发光时间0.3μs

信噪比更高，读取时间更短，体积更小4、IP存贮信息的消褪贮存在PSL物质中的X线影像信息随存贮时间（读取前时间）的延长而衰减，称为消褪（fading）消褪不可避免，随时间延长、温度升高而加重，CR系统对消褪设置自动补偿一般地，要求摄影后8小时内完成信息读取，以免丢失临床信息5、IP信息的擦除二次激发过的IP需用强光照射，擦除IP上的潜影以供下次使用IP经强光照射擦除潜影，是PSL发光的逆过程，实现IP存贮信息的完全擦除。其过程机理同样尚不明确对于暗盒式IP，可见光被屏蔽，必须将IP插入到读取装置中，引强光擦除对于无暗盒式IP，在二次激发后IP会自动传送至消除点进行强光信息擦除6、环境因素对IP的干扰IP对所有电磁波均显敏感性长期闲置的IP在启用前必须先用激发光照射以消除环境干扰7、IP使用注意事项由于在摄影前可改变摄影范围的大小，在读取部分可设置读取范围的大小，并能反复使用一张影像板，所以用一张较大的IP来记录X线影像，可以大大减少胶片尺寸的选择次数IP再次使用时，最好重作一次光照射，以消除可能存在的任何潜影由于IP上的荧光物质的X线灵敏度高于普通X线胶片，故要求很好地屏蔽。（对普通光不需屏蔽）IP可重复使用达千次三、读取装置1、暗盒型读取装置用于读取暗盒型IP的影像信息，配合传统常规X线机使用3、读出装置读出原理高精度电机带动IP匀速移动激光束经光学系统（摆动式反光镜和回旋式多面体反光镜）的反射，在与IP垂直的方向上，依次对IP进行精确均匀地扫描IP上所释放的PSL荧光被自动跟踪的集光器收集，经光电倍增管转换为电信号，并被进一步放大，再由A/D转换器转换成数字化影像信号不同尺寸的IP在CR读出装置中的读出时间是相同的CR系统影像读取原理图4、信息的读出流程第一步，以较弱激光超高速扫描，粗略读取影像信息，获取成像条件、分割信息、像野尺寸等，并核算出PSL直方图（自动预读）第二步，在获取上述信息的基础上，根据PSL直方图，自动调节光电倍增管的敏感性和放大器的增益，再次以超强激光高精度地读取X线影像信息（精读）配合CR系统固有功能，则可对任意组织以任意剂量获得稳定的最佳影像信息五、CR的工作流程1、CR成像原理

X线光子入射IP→形成潜影（信号采集）→激起光照射IP→PSL发光（信号读取）→PSL荧光导入光电倍增管（光电转换）→A/D转换器转换→获得数字信号（信号读出）→送至存储与显示元件（信号处理与记录）

X线强度∝PSL荧光强度∝数字信号2、CR的工作流程

信息采集：X线照射在IP上形成潜影，实现模拟信息采集。（X线管、IP）信息转换：二次激发光扫描IP获得PSL荧光，经光电倍增管转换成电信号，再由A/D转换器转换，获得数字信号。（IP、读取装置、光电倍增管、A/D转换器）信息处理和记录：谐调处理、空间频率处理、减影处理等。（光盘存贮、胶片记录） （3）后期减影处理：

A、时间减影选择血管造影系列图象中的若干帧作为原像（造影像）和基像/蒙片（掩模像）行数字减影处理，可得到CR减影图象。优点：视野大，空间分辨力高，动态范围宽缺点：时间分辨力差，无法实现高频采集和实时显示B、能量减影（X线吸收率减影）用两个不同的X线摄影条件摄影，选择其中任何一帧作为掩模像进行减影，则可消除某些组织。例如对胸部行能量减影处理可消除肋骨影像，以利于观察低对比度肺野切换X线管电压，得到两幅不同能量的数字X线影像，用计算机进行能量减影处理在暗盒放置2张影像板（IP），中间隔一层铜过滤板，过滤低能射线。对同时获得的2幅图像进行减影，上一层是低能射线成像，下一层是高能射线成像六、影响CR影像质量的因素CR影像的空间分辨力CR影像的噪声CR影像的数字化过程1、CR影像的空间分辨力CR影像的空间分辨力取决于PSL结晶体的颗粒度和读取装置的电、光学特性CR影像的空间分辨力尚不如传统胶片A、PSL结晶体的颗粒度PSL结晶体尺寸越小，发光效率越高，图像空间分辨力越高目前PSL结晶体颗粒尺寸已缩小到最初的1/2，体积缩小到最初的1/8B、激光束的直径和频率

激光束以点扫描方式完成影像读取激光束点直径越小，读取信息量相对越多，影像质量越高激发光谱波长为600nm时，PSL发光激起效果最佳2、CR影像的噪声X线量子噪声：IP吸收过程中产生，与IP吸收的X线量子数（入射X线量）成反比光量子噪声：光电倍增管光电转换中产生，与光电子数成反比系统固有噪声：IP结构噪声、光学系统噪声、电子系统噪声、机械传导系统噪声等，与X射线无关，结构噪声起决定作用，由PSL物质颗粒的随机分布而定

X线剂量较低时，CR噪声决定于量子噪声；X线剂量较高时，CR噪声决定于固有噪声3、数字化过程对CR图像质量的影响

数字化采样频率决定影像空间分辨力A/D、D/A转换位数决定影像对比度分辨力数字化程度应与人眼的辨别力和荧光屏的显示范围相适应

5像素/mm－－8bit/像素6.7像素/mm－－7bit/像素七、CR的优点和不足能获取数字化图像：可实施图像后处理，易于储存、检索和传输X线照射量动态范围大：可显示细微组织差异X线辐射剂量低：PSL物质敏感度高，减少患者受照射量临床应用范围广：断层摄影、胃肠道造影、数字减影等IP可重复使用受散射效应的影响，空间分辨力不佳，影像质量不如胶片时间分辨力较差，难以显示动态图像成像过程繁琐，未改变工作流，工作效率没有提高设备昂贵，运行成本较高DR的种类根据X线影像转换为数字图像信号的过程不同，可分为IDR（间接放射成像）和DDR（直接放射成像）间接放射成像（IDR）X线影像先转换为可见光影像，再经光电转换、A/D转换等器件转换成数字图像

直接放射成像（DDR）X线影像直接转换为数字图像，无中间环节一、IDR的结构和工作原理1、IDR的基本结构：图像监视器影像接收器数据采集器图像处理器存储器X线机系统控制器区分IDR类型的技术点图像数字化获取诊断信息整机协调2、IDR的成像链：X线→可见光→电信号→数字影像3、IDR的特点转换器件不同，种类很多X线能量首先转换为光能，光能再由TFD（thin-filmdiode，薄膜光电二极管）、TFT（thin-filmtransistor，薄膜晶体管)、CCD（chargecoupleddevice，固体摄像元件）等平面传感器转换成电信号图象质量比CR有较大的改善

但这种转换机制由于存在光线散射过程，必然导致图像分辨力的降低4、各种类型的IDR（1）I.I-TV成像方式I.I光学系统电视摄像机A/D透射X线数字影像（2）胶片数字扫描方式X线胶片数字扫描仪图象工作站高清晰度监视器图象处理系统软件（3）Scintillator+Lens+CCD

（闪烁晶体+光学镜头+CCD）（4）Scintillator+OpticFiber+CCD

（闪烁晶体+光导纤维+CCD）分块式CsI荧光屏光纤镜头集光性好CCD实现信号帧转移读取，图像像素小国内有厂家生产（5）Scintillator+AmorphousSilicon+TFT

（闪烁晶体+a-Si+TFT）a-Si适度扩散，形成高集成的薄膜光电二极管TFD作为光电转换器件；薄膜晶体管TFT作为开关元件转换效率最高，像素尺寸最小，图像质量最好代表IDR产品市场主流二、DDR的结构和工作原理

直接利用探测器将X线影像转换为模拟电信号再进行数字化1、DDR的组成电子暗盒（Electroniccassette）即X线探测器，主要是平板探测器FPD扫描控制器（Arraycontroller）

主要由计算机控制的矩阵扫描电路、恢复电路及扫描数据转换装置组成系统控制器（Systemcontroller）

即计算机主机系统，包括操作程序、图像处理程序、图像存储、打印、网络管理等键盘（Keyboard）影像监视器（Imagereviewmonitor）DDR系统主要部件示意图

DDR的成像链：X线→电信号→数字影像（1）气体电离室探测器由许多单元组成阵列，每个单元构成一个像素，大小约为0.5mm×0.5mm。探测器极板间充以惰性气体，X线照射下，气体电离，电离电荷在极间电场作用下定向漂移。在外电路获得正比于X线强度的输出信号

X线强度∝电离电荷∝输出电信号2、DDR使用的X线探测器（2）非晶态硒（a-Se）型平板探测器

由集电矩阵、硒层、电介质、顶层电极和保护层等构成

集电矩阵由按阵元方式排列的高集成度薄膜晶体管（thin-filmtransistor，TFT）组成

非晶态硒层涂覆在集电矩阵上，它对X线敏感，具有很高的分辨率每个TFT对应一个像素，像素尺寸为139×139μm，在14×17的整屏范围内就有2560×3072个像素，成像细腻非晶硒型FPD的特点依赖型平板：依赖偏压电场、依赖硒层厚度原子序数较低，导致其X线吸收率较低目前偏压电场一般为2.5kV，其DQE最高为42％；若要得到足够的有效光电子，可能需要10万伏（即100kV）的偏压电场，临床上不可行。目前所用硒层一般厚度为500μm；若要得到足够的有效光电子，可能需要5～6cm的厚硒层，而厚硒层成像时间太慢，不可能进行任何临床应用研究。（以目前500μm的层厚，硒层成像尚需数秒甚至20～30秒，如加厚的硒层成像则可能需要3~4分钟）X线光子通过电子转换成数字化图像携带诊断信息的X线光子入射硒层，产生正比于X线能量的正负电荷对，偏压电场使电荷对分离，正负电荷定向移动，正电荷存储于薄膜晶体管电容，扫描电路读取存储电荷并转换为数字化信号读出信号读出后，扫描电路自动清除硒层存储电荷数字信号∝硒层电荷∝入射X线3、DDR的基本工作原理

（3）非晶态硅（a-Si）型平板探测器

外形类似胶片暗盒，为半导体探测器

基本结构：将掺铊的碘化铯闪烁晶体覆盖在光电二极管（TFD）矩阵上；光电二极管由薄膜非晶态氢化硅扩散而成，每个光电二极管就是一个像素

基本原理：X线入射到闪烁晶体被转换为可见光；再由a-Si扩散形成的光电二极管矩阵转换成电信号；产生电荷存储在光电二极管自身电容上，每个像素的存储电荷量与入射X线量成正比；存储电荷由集电矩阵TFT读出形成数字信号从成像本质上分析：CsI/a-Si型FPD应为间接成像IDR，成像速度快（ms级），图像质量较好（存在光散射降低分辨率），又称为间接FPDa-Se型FPD为直接成像DDR，图像质量好，但其成像速度慢（s级），又称为直接FPD对于临床诊断而言，成像速度比成像质量重要，故目前临床应用的FPD以CsI/a-Si型为主，但随着a-Se成像速度的提高，a-Se型FPD市场占有份额势必增加第六章辅助装置一、自动曝光控制系统

X线照射时，以达到胶片上所需的感光剂量（即胶片密度）来决定曝光时间的曝光控制系统。

以胶片感光效果来控制曝光时间－－间接限时（mAs限时器）

a、光电管自动曝光控制系统以光电效应为基础

b、电离室自动曝光控制系统以电离效应为基础共同特点/工作步骤采用对X线敏感的检测器把X线剂量转换成正比于剂量率的直流电压（电流）再对时间积分后就得到正比于所受剂量（照射量）的电压将积分电压与正比于胶片感光密度的设定电压比较，由门限检测器给出剂量到达设定值的曝光终止信号以切断高压。二、光电管自动曝光控时原理1、光电倍增管将可见光亮度信号转变成电流信号，并放大。（1）结构不透明锑-铯光电阴极阴、阳极之间接入多级二次发射电极（打拿极，Dynode

）高真空玻璃管阴极附近有可见光输入窗口倍增电子流经收集极/阳极输出，增益达数万倍（2）输出的信号输出电压幅度正比于输入可见光的光子能量与数量（光强），可作光强探测元件。（3）供电要求稳定直流，电压约1200V两极之间多级电阻分压，保证各打拿极电位差。

光电倍增管工作原理图2、光电倍增管自动剂量控制影像增强器输出可见光，经分光采样后送入光电倍增管放大，转为电压控制信号输出电压∝光强∝剂量率，对时间积分后，电压∝剂量电压达到预定值时，表示X线剂量已合要求，即行切断高压光电转换→放大→积分→比较→自动剂量控制三、电离室自动曝光控制原理

利用X线对气体的电离效应

电离电流∝x线强度∝胶片密度

穿透人体的X线使电离室产生电离电流并输入控制系统，当胶片达到理想密度时，通过电离电流驱动执行元件自动切断曝光。

→电离室自动曝光控制1、电离室

（1）结构：两块中间为气体的金属板平行电极。两极板间加直流高压。（2）原理：X线照射时，气体被X线电离，正负离子在强电场作用下，形成电离电流。（3）电离电流大小∝X线辐射量2、电离